DE102019128928B3 - Sensor and method for manufacturing an inductive energy transfer unit - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich (20) mit mindestens einem Sender (22) zum Aussenden eines Sendesignals (26), mindestens einem Empfänger (34) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem von den Objekten zurückgeworfenen Sendesignal (30), einer Sockeleinheit (14), einer gegenüber der Sockeleinheit (14) um eine Drehachse (18) beweglichen Abtasteinheit (12) zur periodischen Abtastung des Überwachungsbereichs (20) sowie einer Steuer- und Auswertungseinheit (56) zur Erfassung von Informationen über die Objekte anhand des Empfangssignals angegeben, wobei eine induktive Energieübertragungseinheit (44) zwischen Sockeleinheit (14) und Abtasteinheit (12) vorgesehen ist, die ein erstes Führungselement (46a) der Sockeleinheit (12) und ein zweites Führungselement (46b) der Abtasteinheit (12) zum Führen des magnetischen Feldes der induktiven Energieübertragung umfasst und wobei die Führungselemente (46a-b) einen L-förmigen Querschnitt aufweisen. Dabei sind die Führungselemente (46a-b) in Umfangsrichtung in jeweils mindestens zwei Führungssegmente (46a1-bn) unterteilt.A sensor (10) is used for detecting objects in a monitoring area (20) with at least one transmitter (22) for transmitting a transmission signal (26), at least one receiver (34) for generating a reception signal from the transmission signal ( 30), a base unit (14), a scanning unit (12) which can be moved around an axis of rotation (18) relative to the base unit (14) for periodic scanning of the monitored area (20) and a control and evaluation unit (56) for acquiring information about the Objects indicated on the basis of the received signal, an inductive energy transfer unit (44) being provided between the base unit (14) and the scanning unit (12), which has a first guide element (46a) of the base unit (12) and a second guide element (46b) of the scanning unit (12) for guiding the magnetic field of the inductive energy transmission and wherein the guide elements (46a-b) have an L-shaped cross section. The guide elements (46a-b) are each divided into at least two guide segments (46a1-bn) in the circumferential direction.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere Laserscanner oder Radar, mit einer Sockeleinheit und einer gegenüber der Sockeleinheit um eine Drehachse beweglichen Abtasteinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer induktiven Energieübertragungseinheit für einen Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise
In einem Laserscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst. Damit lassen sich die Positionen von Objekten ermitteln oder durch mehrere Antastungen desselben Objekts an verschieden Stellen dessen Kontur bestimmen. Die dritte Raumkoordinate kann durch eine Relativbewegung in Querrichtung ebenfalls erfasst werden, beispielsweise durch einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad der Ablenkeinheit in dem Laserscanner oder indem das Objekt relativ zu dem Laserscanner befördert wird. So können auch dreidimensionale Konturen ausgemessen werden.In a laser scanner, a light beam generated by a laser periodically sweeps over a monitored area with the aid of a deflection unit. The light is reflected on objects in the monitored area and evaluated in the scanner. The angular position of the object is determined from the angular position of the deflection unit and the distance of the object from the laser scanner is also deduced from the time of flight using the speed of light. With the angle and distance information, the location of an object in the monitoring area is recorded in two-dimensional polar coordinates. The positions of objects can thus be determined or its contour can be determined by several probing of the same object at different points. The third spatial coordinate can also be detected by a relative movement in the transverse direction, for example by a further degree of freedom of movement of the deflection unit in the laser scanner or by conveying the object relative to the laser scanner. In this way, three-dimensional contours can also be measured.
Die Abtastung der Überwachungsebene in einem Laserscanner wird üblicherweise dadurch erreicht, dass der Sendestrahl auf einen rotierenden Drehspiegel trifft. Lichtsender, Lichtempfänger sowie zugehörige Elektronik und Optik sind im Gerät fest montiert und vollziehen die Drehbewegung nicht mit. Es ist auch bekannt, den Drehspiegel durch eine mitbewegte Abtasteinheit zu ersetzten. Beispielsweise rotiert in der
Die rotierenden elektronischen Komponenten müssen mit Energie versorgt werden. Um hier mechanische Abnutzung etwa eines Schleifkontakts zu vermeiden, wird eine drahtlose Versorgung angestrebt. Dafür ist die induktive Energieübertragung bekannt. Je eine ringförmige Spule ist im stationären und beweglichen Teil des Sensors untergebracht. Sie sind von Ferriten wie von einer Schale umgeben, um das Magnetfeld zu konzentrieren und zu führen und so die induktive Kopplung der Spulen zu verstärken. Die Ferrite wirken auch als Abschirmung und verhindern, dass Streufelder in umliegenden metallischen Bauteilen Wirbelströme und somit Verluste erzeugen.The rotating electronic components must be supplied with energy. In order to avoid mechanical wear and tear, for example of a sliding contact, a wireless supply is sought. This is what inductive energy transfer is known for. A ring-shaped coil is housed in the stationary and moving part of the sensor. They are surrounded by ferrites like a shell to concentrate and guide the magnetic field and thus strengthen the inductive coupling of the coils. The ferrites also act as a shield and prevent stray fields from creating eddy currents and thus losses in surrounding metallic components.
Die beiden Spulen samt umgebenden Ferriten rotieren gegeneinander, und dazwischen befindet sich ein Luftspalt. Um eine hohe Übertragungseffizienz zu erreichen, sollte dieser Luftspalt möglichst klein sein. Dabei werden unterschiedliche Orientierungen des Luftspaltes unterschieden. In Ausrichtung des Luftspalts parallel zur Drehachse bilden die Ferrite zwei ineinander liegende konzentrische Ringe unterschiedlichen Durchmessers. Die Spulenwicklung für den äußeren Ring ist aufwändig und teuer. Außerdem müssen die Exzentrizitäten der Ferrite äußerst gering sein, da sie einander sonst bei kleinem Luftspalt streifen könnten. In Ausrichtung des Luftspalts senkrecht zur Drehachse bilden die Ferrite zwei aufeinander liegende Ringe gleichen Durchmessers. Diese Anordnung ist empfindlich gegenüber Schwing- und Schockbelastung mit der Gefahr des Aufsetzens. Um einen genauen Spaltabstand einzustellen, ist ein Justageprozess erforderlich.The two coils and the surrounding ferrites rotate against each other, and there is an air gap between them. In order to achieve high transmission efficiency, this air gap should be as small as possible. Different orientations of the air gap are distinguished. When the air gap is aligned parallel to the axis of rotation, the ferrites form two concentric rings of different diameters lying one inside the other. The coil winding for the outer ring is complex and expensive. In addition, the eccentricities of the ferrites must be extremely small, otherwise they could rub against each other with a small air gap. When the air gap is aligned perpendicular to the axis of rotation, the ferrites form two rings of the same diameter lying on top of one another. This arrangement is sensitive to vibration and shock loads with the risk of touchdown. An adjustment process is required in order to set an exact gap distance.
Die Toleranzanforderungen für den Luftspalt sind demnach hoch. Gesinterte Ferrite haben jedoch große Fertigungstoleranzen von 2-5%, wobei die Schrumpfungstoleranzen proportional zur Ferritgröße sind. Die Ferrite sind herkömmlich rotationssymmetrisch aus einem Stück gefertigt und relativ groß. Für kleine Spaltmaße müssen die Ferrite daher in der Regel nachgearbeitet werden. Dies ist auf Grund der spröden Materialeigenschaften sehr teuer und aufwändig. Die spröden Materialeigenschaften der Ferrite bergen zudem mit zunehmender Bauteilgröße das Risiko des Versagens durch Bruch aufgrund äußerer Umwelteinflüsse wie Schwing- und Schockbelastung.The tolerance requirements for the air gap are accordingly high. However, sintered ferrites have large manufacturing tolerances of 2-5%, with the shrinkage tolerances being proportional to the ferrite size. The ferrites are traditionally made from one piece with rotational symmetry and are relatively large. The ferrites therefore usually have to be reworked for small gaps. Due to the brittle material properties, this is very expensive and complex. The brittle material properties of ferrites also harbor the risk of failure due to breakage due to external environmental influences such as vibration and shock loads with increasing component size.
Die
Aus der
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Aufbau eines Sensors mit mitbewegter Abtasteinheit zu vereinfachen.It is therefore the object of the invention to simplify the construction of a sensor with a moving scanning unit.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich sowie ein Verfahren zur Herstellung einer induktiven Energieübertragungseinheit für einen Sensor nach Anspruch 1 beziehungsweise
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Führungselemente aus mehreren Teilen herzustellen. Sie sind in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse in mindestens zwei Führungssegmente unterteilt. Es handelt sich also nicht wie herkömmlich um vergleichsweise große, rotationssymmetrische, aus einem Stück gefertigte Bauteile.The invention is based on the basic idea of producing the guide elements from several parts. They are divided into at least two guide segments in the circumferential direction with respect to the axis of rotation. So it is not, as is usual, a comparatively large, rotationally symmetrical component made from one piece.
Die Erfindung hat zunächst die Vorteile einer berührungslosen Energieversorgung, die verschleißfrei ist. Der Aufbau aus mehreren Führungssegmenten ermöglicht besonders kleine mechanische Toleranzen am Luftspalt und daher eine hohe Effizienz der Energieübertragung. Das wird ohne oder jedenfalls mit wesentlich weniger Nachbearbeitung erreicht, so dass sich die Herstellkosten bei gleicher oder sogar höherer funktionaler Qualität erheblich reduzieren. Zugleich weist die Energieübertragungseinheit eine hohe mechanische Robustheit auf.The invention initially has the advantages of a contactless energy supply that is wear-free. The construction of several guide segments enables particularly small mechanical tolerances at the air gap and therefore a high efficiency of the energy transfer. This is achieved without or at least with significantly less post-processing, so that the manufacturing costs are significantly reduced with the same or even higher functional quality. At the same time, the energy transmission unit has a high level of mechanical robustness.
Der Sensor ist vorzugsweise ein optoelektronischer Sensor, insbesondere Laserscanner. Sender und Empfänger sind dann ein Lichtsender beziehungsweise Lichtempfänger. Alternativ ist der Sensor ein Radar, wo dann entsprechend ein Radarsender und Radarempfänger im Spektrum der Radar- oder Mikrowellen zum Einsatz kommen. Die jeweiligen Sender und Empfänger sind vorzugsweise in der Abtasteinheit angeordnet, vollziehen also deren Bewegung um die Drehachse mit und werden über die Energieübertragungseinheit aus der Sockeleinheit versorgt.The sensor is preferably an optoelectronic sensor, in particular a laser scanner. The transmitter and receiver are then a light transmitter or light receiver. Alternatively, the sensor is a radar, where a radar transmitter and receiver in the spectrum of radar or microwaves are used accordingly. The respective transmitters and receivers are preferably arranged in the scanning unit, that is to say they also move around the axis of rotation and are supplied from the base unit via the power transmission unit.
Die Führungselemente sind bevorzugt ringförmig um die Drehachse angeordnet und insbesondere so zueinander angeordnet, dass die L-förmigen Querschnitte gemeinsam einen Hohlring bilden. Der Hohlring entsteht, indem die L-Formen gegeneinander punktgespiegelt oder um 180° gedreht sind und einander zu einem rechteckigen Querschnitt ergänzen. An den Übergängen am Ende der Schenkel der L-Formen ist der rechteckige Querschnitt offen, denn dort bewegen sich die beiden Führungselemente gegeneinander.The guide elements are preferably arranged in a ring around the axis of rotation and in particular are arranged with respect to one another in such a way that the L-shaped cross-sections together form a hollow ring. The hollow ring is created in that the L-shapes are mirrored against each other or rotated by 180 ° and complement each other to form a rectangular cross-section. At the transitions at the end of the legs of the L-shapes, the rectangular cross-section is open, because there the two guide elements move against each other.
Die Führungssegmente sind bevorzugt als Ringsegmente ausgebildet, die einander zu einem Ring um die Drehachse ergänzen. Jedes der Führungssegmente bildet somit einen Kreis- oder Ringsektor, vorzugsweise jeweils den gleichen Bruchteil von 360°. Dabei decken die Führungssegmente ihren Bruchteil nicht vollständig ab, in Umfangsrichtung verbleiben gewisse Lücken und Toleranzen zwischen den Ringsegmenten. Es sind mindestens zwei, vorzugsweise drei bis sechs oder acht Ringsegmente vorgesehen. Eine größere Anzahl ist vorstellbar, aber die Anzahl stößt bald an eine Grenze, wo keine zusätzlichen Vorteile mehr erreicht werden.The guide segments are preferably designed as ring segments which complement each other to form a ring around the axis of rotation. Each of the guide segments thus forms a circular or ring sector, preferably the same fraction of 360 °. The guide segments do not completely cover their fraction; certain gaps and tolerances remain between the ring segments in the circumferential direction. There are at least two, preferably three to six or eight ring segments intended. A larger number is conceivable, but the number soon reaches a limit where no additional advantages are achieved.
Die Führungselemente weisen vorzugsweise einen ringförmigen Träger insbesondere aus Kunststoff auf, worauf die Führungssegmente auf Anschlag zum Luftspalt ausgerichtet und so mit dem Träger fixiert sind. Der Träger erleichtert die Herstellung erheblich, da sofort eine Grobausrichtung gegeben und eine genaue Ausrichtung bezüglich des Luftspalts erheblich erleichtert ist. Außerdem gibt der Träger den Führungselementen mechanische Stabilität, und dank der flexibleren und nicht spröden Eigenschaften des Trägers ist die Robustheit gegenüber einem einstückigen Ferritbauteil erheblich verbessert.The guide elements preferably have an annular carrier, in particular made of plastic, whereupon the guide segments are aligned with the stop to the air gap and are thus fixed to the carrier. The carrier facilitates production considerably, since a rough alignment is immediately given and an exact alignment with respect to the air gap is considerably facilitated. In addition, the carrier gives the guide elements mechanical stability, and thanks to the more flexible and non-brittle properties of the carrier, the robustness compared to a one-piece ferrite component is considerably improved.
Der Träger weist bevorzugt Segmentteiler zwischen den Führungssegmenten auf. Dies erleichtert bei der Herstellung sowohl die anfängliche Grobausrichtung als auch die genaue Ausrichtung auf Anschlag zum Luftspalt. Außerdem bleiben die Führungssegmente besser in ihrer Position fixiert, und der Träger wird robuster. Möchte man die Spalte zwischen den Führungssegmenten allerdings möglichst klein halten, um das Magnetfeld noch besser zu führen und so die Effizient weiter zu steigern, kann auf die Segmentteiler auch verzichtet werden.The carrier preferably has segment dividers between the guide segments. During production, this facilitates both the initial rough alignment and the precise alignment on the stop to the air gap. In addition, the guide segments remain better fixed in their position and the carrier becomes more robust. However, if you want to keep the gaps between the guide segments as small as possible in order to guide the magnetic field even better and thus further increase efficiency, the segment dividers can also be dispensed with.
Die Führungssegmente sind vorzugsweise aus Ferrit hergestellt. Ferrit hat die für die Führung des magnetischen Feldes erforderlichen Eigenschaften. Als Material hat Ferrit mit seiner Sprödigkeit und hohen Schrumpftoleranz auch seine Nachteile, die jedoch durch die Erfindung weitgehend überwunden werden.The guide segments are preferably made from ferrite. Ferrite has the properties required to guide the magnetic field. As a material, ferrite with its brittleness and high shrinkage tolerance also has its disadvantages, which, however, are largely overcome by the invention.
Vorzugsweise sind Spulen in die Führungselemente eingelegt. Jeweils mindestens eine feststehende und eine mitbewegte Spule sorgen für die induktive Energieübertragung. Die Führungselemente umgeben die Spulen und führen das magnetische Feld.Coils are preferably inserted into the guide elements. At least one stationary and one moving coil each ensure the inductive energy transfer. The guide elements surround the coils and guide the magnetic field.
Zwischen den Spulen ist bevorzugt ein Luftspalt vorgesehen, der parallel oder senkrecht zu der Drehachse angeordnet ist. Der Luftspalt bildet den Übergang zwischen ruhender Sockeleinheit und beweglicher Abtasteinheit. Herkömmlich würden, wie einleitend beschrieben, für einen parallelen und einen senkrechten Luftspalt völlig verschiedene Ringgeometrien benötigt, weil die Ringe einmal konzentrisch ineinander und einmal aufeinander liegen. Bei den erfindungsgemäßen Führungselementen mit L-förmigem Querschnitt können die Spulen wahlweise am horizontal oder am vertikal orientierten Schenkel angeordnet werden. Das schließt aber nicht aus, dass die Führungselemente für eine parallelen und einen senkrechten Luftspalt in der Detailgeometrie voneinander unterscheiden, beispielsweise um die Spulen immer auf dem langen Schenkel der L-Form unterzubringen.An air gap, which is arranged parallel or perpendicular to the axis of rotation, is preferably provided between the coils. The air gap forms the transition between the stationary base unit and the movable scanning unit. Conventionally, as described in the introduction, completely different ring geometries would be required for a parallel and a vertical air gap, because the rings lie concentrically one inside the other and one on top of the other. In the case of the guide elements according to the invention with an L-shaped cross section, the coils can optionally be arranged on the horizontally or vertically oriented leg. However, this does not rule out that the guide elements for a parallel and a vertical air gap differ from one another in the detail geometry, for example in order to always accommodate the coils on the long leg of the L-shape.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.The production method according to the invention can be developed in a similar way and shows similar advantages. Advantageous features of this type are described by way of example, but not conclusively, in the subclaims that follow the independent claims.
Dabei werden vorzugsweise die Führungssegmente in einen ringförmigen Träger eines Führungselements zunächst grob ausgerichtet eingelegt, dann auf Anschlag zum Luftspalt ausgerichtet und schließlich in dieser Ausrichtung mit dem Träger fixiert. Auf diese Weise wird ein einfach durchzuführendes Herstellverfahren mit dennoch äußerst geringen Toleranzen angegeben, mit dem ein sehr kleiner Luftspalt erreicht werden kann.In this case, the guide segments are preferably inserted into an annular carrier of a guide element, initially roughly aligned, then aligned with the stop to the air gap and finally fixed in this alignment with the carrier. In this way, a manufacturing process that is easy to carry out, with extremely low tolerances, is specified, with which a very small air gap can be achieved.
Die Führungssegmente werden bevorzugt durch Anschlag an einem magnetischen Montagering zum Luftspalt ausgerichtet. Aufgrund der ferromagnetischen Eigenschaften der Führungssegmente begeben sie sich von selbst in die durch den magnetischen Montagering vorgegebene Position mit gemeinsamem Anschlag um vorgesehenen Luftspalt. Dabei sind bei senkrechtem Luftspalt ein innerer Montagering für das Führungselement mit der äußeren Spule sowie ein äußerer Montagering für das Führungselement mit der inneren Spule erforderlich.The guide segments are preferably aligned with the air gap by stopping on a magnetic mounting ring. Due to the ferromagnetic properties of the guide segments, they move automatically into the position specified by the magnetic mounting ring with a common stop around the air gap provided. In this case, with a vertical air gap, an inner mounting ring for the guide element with the outer coil and an outer mounting ring for the guide element with the inner coil are required.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Laserscanner; -
2a eine Detailansicht auf eine Energieübertragungseinheit bei senkrechtem Luftspalt; -
2b eine Detailansicht gemäß2a nun bei parallelem Luftspalt; -
3a eine Schnittansicht eines Führungselements für die Energieübertragungseinheit mit einem Führungssegment auf einem Träger, das während der Herstellung in einem Montagering angeordnet ist; und -
3b eine Draufsicht auf das Führungselement gemäß3a .
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1 a schematic sectional view through a laser scanner; -
2a a detailed view of an energy transfer unit with a vertical air gap; -
2 B a detailed view according to2a now with a parallel air gap; -
3a a sectional view of a guide element for the energy transmission unit with a guide segment on a carrier, which is arranged in a mounting ring during manufacture; and -
3b a plan view of the guide element according to3a .
In der Abtasteinheit
Dieser konkrete Aufbau der Abtasteinheit
Die Energieübertragungseinheit
Zur Auswertung wird vorzugsweise mit einem Lichtlaufzeitverfahren die Distanz zu einem angetasteten Objekt gemessen. Die jeweilige Winkelstellung, unter welcher der Sendelichtstrahl
Wie schon zum konkreten Aufbau der Abtasteinheit
Das Magnetfeld wird bei gleichem Luftspalt von diesen L-Formen fast gleichwertig gut geführt wie bei herkömmlichen Ringschalen. Das Einbringen insbesondere der äußeren Spule
Die
Die Effizienzverluste der induktiven Kopplung durch die Segmentierung sind gering, solange die Lücken zwischen den Führungssegmente 46a1-bn klein bleiben. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen, aus einem Stück gefertigten Ferrit treten pro Führungssegmente 46a1-bn nur verringerte Absoluttoleranzen auf, da die erwartete Schrumpfung zwischen Ferritrohling und gesintertem Ferrit bei dem vergleichsweise kleinen Führungssegment 46a1-bn geringer ausfällt als bei einem gesamten Ring. Zudem sind kleine Ferrite, etwa aufgrund von Stückzahleffekten, überproportional günstiger herzustellen als große.The efficiency losses of the inductive coupling due to the segmentation are small as long as the gaps between the guide segments 46a1-bn remain small. In contrast to a conventional ferrite made from one piece, there are only reduced absolute tolerances per guide segment 46a1-bn, since the expected shrinkage between ferrite blank and sintered ferrite is less for the comparatively small guide segment 46a1-bn than for an entire ring. In addition, small ferrites are disproportionately cheaper to manufacture than large ones due to the effects of the number of pieces.
Die
Danach werden die Führungssegmente 46a1-bn durch einen Anschlag mit hoher Präzision dem gewünschten Luftspalt hin ausgerichtet. Hier ist der Anschlag durch einen Montagering
Die so entstandenen Führungselemente
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